油菜是世界上最重要的油料作物之一,中国油菜85%的产量来自长江流域。近年来,随着全球气候异常变化,长江流域秋冬旱频率也在加大,使得大面积油菜直播出苗不稳定,生长期发育受阻产量降低。因此,通过选择高种子活力的品种或种子类型以及遗传改良提抗旱性,不仅在很大程度上影响油菜最终成苗率、幼苗生长以及产量,也对稳定和扩大我国冬油菜种植面积,促进南方冬闲田开发利用,保证我国食油安全具有非常重要的意义。本课题系统研究了种子自身特性及温度对种子萌发出苗的影响,确定了不同干旱胁迫程度及干旱发生时间对种子萌发出苗及幼苗生长的影响,进行了油菜苗期及花期的抗旱性评价,并结合农艺性状分析了油菜应答干旱胁迫的基因表达。主要研究结果如下:(1)不同遗传基础品种的萌发特性差异明显。根据137个常规油菜品种的萌发速度(T50)共分为萌发快、中、慢3组,其中萌发快和萌发慢的品种数分别为9个(7%)和12个(9%)。T50和幼苗活力指数二个指标结合可有效评价种子活力,利用该方法在萌发快、慢两组共计21个品种中筛选出4个高种子活力品种和4个低种子活力品种。本研究表明,品种间萌发出苗特性的差异主要由其遗传特性所决定,种子的萌发速度与品种的种子重量和种子休眠无关。(2)相同品种不同种皮颜色及直径大小的种子萌发特性不同。将华双5号的种子根据种皮颜色分成黑色、深棕色和浅棕色;将黑色种子根据直径大小分为:大(2.0mm~2.5mm)、中(1.7mm~2.0mm)和小(1.5mm~1.7mm)。萌发试验表明:随种皮颜色的变浅,种子萌发速度、出苗率、幼苗活力指数、茎长、根长及含油量等都呈现不同程度的下降,而蛋白质和可溶性糖含量则有增加趋势;种子大小对种子的萌发速度、千粒重、鲜重、干重、含油量和可溶性糖含量影响显著,中等大小种子的萌发速度最快、含油量最高。因此,中等大小的黑色油菜种子具有较高的种子活力。(3)35/30°C高温对油菜种子萌发产生生理伤害。采用5个品种在35/30°C(高温)、25/20°C(适温)和15/10°C(低温)条件下进行萌发。结果表明高温和低温对油菜种子萌发都不利,其中高温主要抑制出苗、低温则主要使种子萌发率降低;高低温均导致出苗率、幼苗活力指数和鲜重下降。但35/30°C的高温造成了油菜萌动出苗过程的生理伤害,导致幼苗的叶绿素含量下降,SOD和POD活性降低,CAT活性增加;而15/10°C低温条件下则主要是生长代谢活动不足,表现出叶绿素含量、SOD活性升高,POD活性降低,但CAT活性无明显变化;同时脯氨酸含量在高温条件下的增加幅度明显高于低温处理。(4)播种时渗透势低于-0.6 MPa不能出苗,半萌动及刚成苗状态受干旱伤害更难恢复。采用聚乙二醇6000模拟干旱胁迫,选用华双5号在播种时进行-0.1 MPa~-1.0 MPa不同程度干旱,当渗透势低于-0.5 MPa时,发芽率开始降低;出苗率则在-0.1 MPa就显著降低,-0.6 MPa以下不能出苗;二者均随渗透势降低而加大降低幅度。采用华杂9和中双11进行播种时(T0)及播后1 d、3 d、5 d(T1、T3、T5)等不同干旱发生时间研究,结果表明干旱发生时间越早出苗率越低甚至不能出苗。T0和T1处理在-0.5 MPa时出苗率低于0%~12%,在-1.0 MPa~-1.5 MPa范围内则不能出苗。T3和T5处理在-0.5 MPa~-1.0 MPa内,出苗率分别为29%~79%、5%~40%;在-1.5 MPa时T3和T5也不能出苗。恢复正常水分条件后,T0在-0.5 MPa和-1.5 MPa下的成苗率与对照差异不显著,而T1、T3、T5的最终成苗率则不同程度降低,其中以T1和T5降低幅度相对较大。(5)干旱胁迫下幼苗茎长显著下降,根茎比明显上升。在-0.1 MPa~-0.5 MPa范围内,华双5号随着干旱胁迫程度的增加而生长量减小,其中茎长下降22.4%~49.5%,根长下降1.1%~15.8%;根茎长度比则增加了27.9%~67.1%。在播种后5天内,干旱胁迫发生时间越早,对幼苗生长的影响越大。在-0.5 MPa~-1.5 MPa干旱胁迫下,以T5的根长、茎长、鲜重和干重值最高,T0最低;恢复正常水分条件后,干旱胁迫处理的幼苗生长均比对照显著降低,但不同干旱发生时间以T0的幼苗生长最好,以播种后1 d(T1)开始干旱的幼苗继续生长能力最弱。(6)根茎比可作为幼苗抗旱特性筛选的指标。选用140份常规油菜品种进行幼苗期抗旱性评价。在-0.5 MPa干旱胁迫条件下根长和根茎比与对照相比分别增加14.3%和91.0%,但是苗高和鲜重却显著降低了40.1%和60.1%。干旱胁迫导致根长的变异幅度略有增加,苗高和鲜重的变异幅度降低,但是根茎比的变异幅度明显变大,有利于筛选抗旱性品种。随着干旱胁迫程度的增加,不同品种的根长和根茎比呈现先增加后降低的趋势,而鲜重和干旱胁迫指数随着干旱胁迫程度的增加呈现降低的趋势。根据干旱胁迫指数,鉴定了12个抗旱品种和15个干旱敏感品种。除苗高外,在干旱胁迫下抗旱品种和干旱敏感品种的其他性状的差异均达到极显著水平。在-0.5 MPa和-1.0MPa下,抗旱品种的长度根茎比分别比干旱敏感品种高1.1和1.2。(7)鉴定了出苗期及花期均表现一致抗旱特性的品种材料。选取9个苗期抗旱性不同的油菜品种在花期进行干旱胁迫及抗旱性评价,干旱导致油菜产量下降3.4%~37.9%。研究也表明,有些品种在苗期及花期的抗旱特性表现是不同的,但也有品种在苗期和花期表现出一致的抗性。本试验确定花期和苗期均抗旱的品种2个:L129(中双6)和L134(CHINAB);干旱敏感品种2个:L86(Kubanskij)和L130(CR2264/85)。(8)全基因组关联分析及RNA测序鉴定了油菜抗旱候选基因。通过用25495个Illumina Brassica 60 K SNPs对66个代表不同抗旱性的油菜品种(抗旱品种、中间品种和干旱敏感品种)进行基因型测定,将基因型与在正常水分和干旱条件下的幼苗生长性状进行全基因组关联分析,并且检测到16个显著关联的位点。选用2个品种进行RNA测序找出干旱与正常条件下的差异表达基因与上述16个显著关联的位点结合鉴定了8个抗旱候选基因。本研究表明,油菜品种资源遗传变异较大,可通过评价在生产上选用萌发性快、出苗率高、抗旱萌发性强的品种,以及选择特定品种的成熟度高、颜色深、中等大小的种子,在15-25℃温度条件下播种实现直播全苗。渗透势-0.5 MPa为油菜萌发临界点,萌动的种子及刚刚成苗的幼苗受旱比未萌动的种子受旱的伤害更大,在生产上宜掌握临界点进行科学的水分管理并避免伤害。本研究还表明根茎比可作为筛选抗旱品种初步指标,16个显著的性状-标记关联中有10个标记是与根茎比关联的。所以,以根茎比为主线,开展抗旱形态、生理及分子机制研究与分析很有必要,与根茎比关联的标记亦可以用来进一步挖掘抗旱基因。油菜种子萌发、幼苗生长及开花结实等不同阶段的水分利用及抗旱机理是应该有所不同的,但根据本研究的结果,存在不同发育阶段均具有较好抗旱性的品种,其原理有待在表型、生理及分子层面继续探索。